宽带波导器件的高功率设计

张秦珲

【摘 要】高功率宽带器件也称高功率合成器，是一种微波毫米波功率合成技术下产生的功率容量大，端口之间具有较高隔离度，工作频带宽的合成器件。然而，实现宽带波导器件高功率的关键是设计出宽带低损耗波导合成器。基于此，本文对三端口宽带波导合路器以及四端口宽带波导合路器进行比较优缺点，提出高功率宽带波导合成器的设计方案，采用电磁场仿真软件进行对宽带波导功率合成器的设计仿真和建模，由此对功率合成器进行了在25-27吉赫工作范围的设计与制作，在此基础上对比分析了仿真曲线和测试指标。通过对所设计的高功率宽带器件的实际测试，结果表明其具有一定的实践应用价值。

【关键词】宽带波导 器件 高功率 设计

为了实现微波毫米波功率合成技术下产生大功率容量，端口之间具有较高隔离度，工作频带宽的器件，本文对宽带波导器件进行了高功率设计。

1宽带波导器件的高功率设计方案

1.1 设计目标

在一定的设计要求下，针对某宽带波导器件的功率合成高效放大的需求，采用合成器的两个功率模块进行高功率设计，其功率效率大于86%。从相关定义可知，宽带波导器件的高功率合成其效率与幅度相位及插入的耗损程度有着一定的相关性。因此，必须实现功率波导器件具有良好的宽带特性、精准的幅度相位及低耗损插入度，从而实现与宽带的高效合成，据此，笔者提出宽带波导器件的设计目标：即合成两路频率在25-27吉赫工作范围内的相对宽带40%的合成器件，其相位平衡度小于5.001°，其插入的耗损在0.5分贝以下，其相位平衡度小于0.3分贝[1]。

1.2器件选择

波导相对于微带而言具有高功率和低损耗的特性，因此本文采用波导结构的高功率器件。由于当前技术的局限性，适合该设计的波导合路器主要有两种类型，一是四端口的自带隔离端口3分贝的波导电桥以及无耗损的合成波导其，其中根据不同的实现方式，可以四端口自带隔离端的波导合成器分为波导分支线电桥、波导H面耦合电桥、波导环形电桥和波导魔T等；根据实现形式的不同，无损耗三端口的波导合路器可分为波导H-T分支及波导E-T分支。

自带隔离端口的四端口波导电桥具有一定的缺点，主要由其需要一定的外接波导负载，或是进行一定吸波材料的填充，以此确保良好的散热效果，以此对功率放大器的体积和成本进行有效地增加，波导的散热负载能力对波导电桥功率容量有着一定的直接决定性作用，因此，在选用自带自带隔离端口的四端口波导电桥进行宽带波导器件的设计上存在一定的不足；另外，可谓成也“自带隔”，败也“自带隔离”，隔离端口的存在会破坏宽带波导器件的对称结构，导致功率合成端口在一定程度上出现相位差和幅度差。隔离端口也给机械加工及电路布局工作带来一定的困难，而且，其使用的带宽较为狭窄[2]。

然而相对于四端口自带隔离端口的波导电桥，无损耗三端口3分贝电桥具有电路布局设计简单，加工方便、功率容量大，输入和输出端口在去掉隔离端口之后，形成一组单纯的平面的结构，大大简化了加工及电路设计难度。而且其在端口的分配上具有较为理想的对称性质，能够有效地与幅度相位保持一定的一致性。采用无损耗三端口3分贝电桥其具有较宽的带宽，因此，可以在对带宽设计时，完成标准的波导带宽，而且不需要特别及复杂的工艺配置处理便可以实现设计性能的最大化，不需要进行任何的调整和试验。另外，由于无损耗三端口3分贝电桥没有隔离端口，有效地提高了散热功能，也就是其技术下的功率合成器在功率容量上不会受到负载散热能力的限制。

综上所述，无耗损3分贝波导电桥相对于四端口自带隔离端口的3分贝波导合路器，其具有与幅度相位高度一致，大带宽的优点，因此，本设计采用无耗损3分贝波导电桥与四端口自带隔离端口的3分贝波导合路器的综合处理方式，实现高功率宽带波导器件的低宽带消耗。在设计过程中，改进传统的E-T和H-T结构的匹配形式，采用宽带的结构匹配，对宽带的性能进行改进和完善。

2宽带波导器件的高功率设计建模

2.1 H-T波导分支

对T型H面的容抗及电抗结影响的综合考虑，加入感性柱或圆锥结构到波导中，采用H-T匹配方式。但是该结构需要采用匹配形式对加工椎体结构进行单独方式，然后与T型波导结构进行良好的配合。从工程的实际情况出发，为简化加工的难度系数，本设计通过以直代曲的方法，将锥形体结构转变为方台的结构体系，以此实现了在铣床上整个功率分配结构额一次成型[3]。在电磁场仿真软件该H-T两路结构的俯视效果如图一所示。

2.2 E-T波导分支

主波导宽边面上的分支为E-T波导分支，主波导TE 10模电场方向与其轴线平行，此分支属于串联分支的一种。传统色设计是采取缓变圆锥的匹配方式，在宽带范围实现宽带匹配能够对电抗元件的变化进行补偿。由于E-T波导分支的导腔体与圆锥结构无法达成加工的一体成型。但是在实际加工过程中，单独对匹配的圆锥体进行单独加工。加工完成后采用螺钉固定或焊接的方式对腔体与匹配的圆锥体进行综合，但是，这就在很大程度上出现二次装配误差。采用圆锥体的匹配结构，其对加工和装配工艺的要求较高。所以，本设计通过对加工工艺的综合考量，为了降低加工难度，实现匹配达到良好的带宽性能，采用了将三角锥型的波导渐变和感性柱加入到T型结中间，其中波导渐变则有效地展宽了带宽，实现了波导实阻抗的宽带匹配，而感性柱有效地对串联分支所带来的一定电抗分量进行了抵消。在电磁场仿真软件该E-T两路结构的俯视效果如图二所示。

3高功率宽带波导器件的仿真设计

3.1高功率宽带波导器件仿真

对H-T和E-T波导结构中的匹配结构具体参数采用电磁场仿真软件方式进行确定。选择三维电磁仿真软件，采用有限元方法，对其进行设计。三维电磁仿真软件具有高真精准度与可靠性，能够快捷地进行仿真操作，其速度非常快，而且拥有易用方便的操作界面。当前此技术自适应网格剖分技术具有一定的稳定成熟性，该方法已经成为高频结构设计的行业标准及首选设计工具。

从H-T两路分支波导合路器的输出端口反射系数的仿真曲线上可看出，在频率范围25-27 吉赫内H-T结构两路合成端口的输出反射系数小于21分贝。从E-T两路分支合波导路器输出端口的反射系数仿真曲线能够看出在频率范围25-27 吉赫内E-T两路结构的合成端口反射均小于25分贝。因此，本设计手段下实现的E-T和H-T波导合路器均具有一定的标准的相对宽带40%的波导带宽，所运用的展宽带宽手段达到了良好的设计效果。

3.2器件性能测试

通过矢量网络分析仪对实际制作的宽带波导E-T合路器的体积约为80 mm×40 mm×22 mm，宽带波导H-T合路器体积约为65 mm×50 mm×22 mm。对加工出来的体积约为80 mm×40 mm×22 mm的波导E-T合路器和体积约为65 mm×50 mm×22 mm的波导H-T合路器组合而成的采用BJ 320波导端口的7.12 mm×3.56 mm高功率宽带波导器件进行了测试，测试结果显示，单个E-T波导合路器其存在0.3和0.4分贝之间插入损耗，最大两路幅度一致性达0.16 分贝，具有40吉赫的相位不一致性最大为4.6，符合相关指标要求。H-T波导合路器在测试中，其插入的损耗程度在0.1分贝和0.25分贝之间，存在最大为0.17分贝的幅度一致性，在38吉赫的不一致性相位不一致性最大为4.2°，符合一定的指标要求，所设计的宽带波导器件具有高功率效能。

4结语

本设计对器件进行了较为严密的仿真测试，但是仍然具有一定的不真实性，因此，应加入实际应用测试，来对其进行更高的判定。本设计对宽带波导器件进行了仿真设计和机构建模，设计出了具有高功率、低损耗及相位幅度高度一致的宽带波导器件，具有一定的应用前景，值得推广使用，具有一定的实践工程价值。

参考文献：

[1]崔焱，田兵.毫米波宽带波导功率合成器设计[J].无线电工程，2011，06：54-57.

[2]李磊，李兵，邱林茂.一种新型W波段宽带波导功率合成器[J].火控雷达技术，2013，02：64-66.

[3]蓝永海.一种宽带多路功率合成器设计[J].杭州电子科技大学学报，2013，05：21-24.